Propagación de Microondas (Microwave Propagation) Reflexión. Refracción. Difracción. UNI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas

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1 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Propagación de Microondas (Microwave Propagation) Capítulo 5 Ing. Marcial López Tafur mlopez@uni.edu.pe El diseño de un enlace esta orientado a predecir los periodos de interrupción que sufrirá este y asegurarse que no excedan los objetivos de calidad. La mayoría de estas interrupciones ocurren como resultado de efectos atmosféricos. Es muy importante que el diseñador tenga un buen conocimiento de la propagación de las microondas UI - Sistemas de MW 2 Reflexión Desplazamiento de fase = 180 º (metales). Ángulo de incidencia = Ángulo de reflexión de la onda. Onda Incidente Onda Reflejada -La onda incidente pasa a través de dos medios transparentes en los cuales la velocidad de la luz difiere -- La onda incidente se divide en una onda reflejada y una onda refractada. Refracción UI - Sistemas de MW 3 UI - Sistemas de MW 4 Difracción...una onda plana viajando en un trayecto recto se curva alrededor de una obstrucción. emisor Obstáculo no se conecta se conecta UI - Sistemas de MW 5 Efectos atmosféricos en la propagación Comúnmente se entiende que el az es un rayo delgado que viaja en línea recta entre dos antenas (Tx y Rx) En realidad es un frente de onda EM El trayecto del frente de onda depende de la densidad de la troposfera. En una atmósfera estándar la densidad promedio decrece con la altitud UI - Sistemas de MW 6 1

2 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Luego la parte superior del frente de onda viaja más rápido que la parte inferior, que está atravesando un medio más denso Desde que la dirección de propagación del frente de onda EM es siempre perpendicular al plano de fase constante, el az tiende a doblarse acia abajo, a esto se le llama índice de refracción UI - Sistemas de MW 7 Velocidad de las ondas de Radio Velocidad de las ondas de radio en Espacio libre : v 0 Velocidad de las ondas de radio en la atmósfera: c Bajo condiciones atmosféricas normales (temperatura, presión, contenido de agua) la velocidad de las ondas de radio es ligeramente menor que cerca a la superficie de la superficie de la tierra c 0 = 300 x 10 6 m/s UI - Sistemas de MW 8 Inclinación n de las ondas de radio ν 0 ν 1 ν 2 Frente de Onda ν 0 Inclinación del frente de onda ν 1 ν 2 Tx Tx ν ν Tx Tx ν n UI - Sistemas de MW 9 UI - Sistemas de MW 10 Índice de refracción (n) Es la relación de la velocidad de una onda EM viajando en el vacío relativa a la velocidad con que viajaría en un medio finito n = c 0 /c donde: c 0 es la velocidad en el vacío y c es la velocidad del az en un medio finito Refracción = Refractividad Refractive Index (n) n = c 0 / c en espacio libre n = 1.0 en la atmósfera n =? En condiciones estándares, y cerca a la superficie de la Tierra, n = aprox. UI - Sistemas de MW 11 UI - Sistemas de MW 12 2

3 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Cociente de refractividad n = 1 n = = (n - 1)10 6 varía a de 0 a 300 UI - Sistemas de MW 13 Cociente de refracción (refractividad) El índice de refracción es muco mayor que la unidad, para una onda que viaja por el aire es ligeramente mayor que 1, ( ), por eso se define el cociente de refracción = (n-1)10 6 Para un valor de n = se obtiene un valor de 315 unidades. Para enlaces por debajo de 100 GHz está definido: = 77.6 P/T x 10-5 e/t 2 UI - Sistemas de MW 14 Gradiente de refractividad (G) Para el diseño de enlaces es importante el cambio de los valores de la refracción sobre el frente de onda de las µo En los primeros cientos de metros se puede aproximar a un gradiente lineal G = d/dh, bajo condiciones atmosféricas medias este valor es constante (-39 unidades / Km), varía con el tiempo Radio efectivo de la tierra Debido a la reflexión el az no viaja en línea recta, la curvatura del az depende del gradiente de refractividad que experimenta en cada punto sobre la trayectoria. Sí uno promedia el gradiente sobre cada punto del trayecto uno puede asumir que el rayo describe una trayectoria curva UI - Sistemas de MW 15 UI - Sistemas de MW 16 Puede considerarse que el az viaja sobre un arco de radio r. Este radio es inversamente proporcional al gradiente del índice de refracción promedio sobre la trayectoria: 1/r = dn/d Como el az de µo no es una línea recta, la superficie de la Tierra sobre la cual viaja no es plana. Es necesario tomar en cuenta la curvatura de la tierra (R = 6,371 Km) La claridad del az depende de la distancia relativa entre dos curvas. Para simplicidad se ace una de ellas una recta mientras que la otra se expande un poco para compensarla. Entonces el az viaja en una línea recta respecto al radio efectivo de la Tierra, el cual a sido ajustado de acuerdo al indice de refractividad UI - Sistemas de MW 17 UI - Sistemas de MW 18 3

4 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Comparación del factor k versus el gradiente de refractividad Factor k k = 1 k = 4/3 k = k < 1 Gradiente de Radio refractividad G Tabla 5.1 G = 0 G = - 39 G = G > 0 UI - Sistemas de MW 19 Campo resultante mostrando la distribución de probabilidad del gradiente de refractividad G UI - Sistemas de MW 20 % Anomalías en la propagación El gradiente de refractividad que causa la curvatura del az, cambia también con el tiempo. Puede cambiar desde un valor positivo a otro negativo abruptamente. Estos valores extremos solo permanecen por pequeños instantes de tiempo El valor medio es 39 unidades / Km que corresponden a un factor k = 4/3 UI - Sistemas de MW 21 Los valores negativos son mayores que los positivos. Se llama refracción estándar cuando el gradiente de refractividad muestra valores promedio (para k = 4/3) Cuando el gradiente cambia a valor positivo es sub-refracción y puede causar pérdidas por difracción. Cuando se ace más negativo que 100 unidades / Km es súper-refractivo resultando en desvanecimiento por multitrayecto UI - Sistemas de MW 22 Cuando se ace más negativo que 157 ocurren condiciones de entubamiento resultando en severa atenuación por multitrayecto, dispersión de az y asta interrupción total (Blackout) La UIT provee una serie de curvas que detallan el porcentaje de tiempo que el gradiente de refractividad es menor que 100, dando una indicación de la probabilidad que el entubamiento sea un problema (Método UIT-530) Curvatura del az causada por la refracción Subrefractivo Ducting G < -157 k < 0 G > 0 k = +2/3 (Mínimo) Tierra Estándar Superrefractivo G = 0 k = 1 G = -39 k = +4/3 (Principal) G = -79 k = 2 G = -157 k = UI - Sistemas de MW 23 UI - Sistemas de MW 24 4

5 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Condiciones físicas de la atmósfera Ya que el cociente de refractividad puede ser expresado en términos de presión, temperatura y umedad, sus efectos serán discutidos en términos de gradientes de refractividad negativos y positivos respectivamente Perfiles del cociente de Refractividad UI - Sistemas de MW 25 UI - Sistemas de MW 26 Cociente de refractividad Gradientes positivos UI - Sistemas de MW 27 Para tenerlos se requiere un gradiente de temperatura fuertemente negativo, los gradientes de presión, temperatura y umedad causan gradiente de refractividad positivos. Advección (aumento del aire frío úmedo) causa gradientes positivos sobre la Tierra seca y caliente especialmente en zonas costeras, aumentando abruptamente. UI - Sistemas de MW 28 la umedad en la superficie terrestre. Otra causa: Coque frontal de aire caliente con el aire frío durante las tormentas. Auto-convección: Convección del calor de una superficie extremadamente caliente es otra causa. La conducción debido al calentamiento solar tiene el mismo efecto (a) Gradientes de refractividad positivos Propagación normal P T RH(e) UI - Sistemas de MW 29 UI - Sistemas de MW 30 5

6 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Gradientes negativos (b) Gradientes de refractividad positivos Propagación anormal Requiere gradientes positivos de temperatura (inversión de temperatura) y/o gradiente de umedad fuertemente negativo (idrolapcia). Valores anormales < pueden resultar debido a advección, calentamiento de la superficie y radiación de frío y puede llegar a formar ductos P Sub-refracción : Difracción T RH(e) UI - Sistemas de MW 31 UI - Sistemas de MW 32 (a) Gradientes de refractividad negativos Propagación normal (b) Gradientes de refractividad negativos Propagación anormal Super-refracción : Multitrayecto - ducting P T RH(e) P T RH(e) UI - Sistemas de MW 33 UI - Sistemas de MW 34 Refractividad modificada Para aplicaciones de trazado de az, se usa una refractividad modificada cuando se considera el ducting M = /a permite considerar que la tierra es plana con la condición atmosférica teniendo las características de M El gradiente del flujo de refractividad con la altura (dm/d = G + 157) En la práctica ay tres formas del perfil de M bajo condiciones de ducting El ducto tiene una gradiente M negativa de la superficie al tope del ducto El segundo de la superficie al ducto pero con una gradiente positivo de M presente en su superficie, formando una forma de S en la superficie del ducto El tercero es cuando el valor de M en la superficie es menor que el valor en el tope tal que el ducto no se extiende acia abajo (ducto elevado) UI - Sistemas de MW 35 UI - Sistemas de MW 36 6

7 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Perfiles del cociente de refractividad Cociente de refractividad UI - Sistemas de MW 37 UI - Sistemas de MW 38 Advección Tierra seca caliente Proceso frontal ambiental (a) Proceso sinóptico causando condiciones anormales Capas sub-refractivas superficiales Aire seco frío Aire frío úmedo Mar frío Aire úmedo caliente Auto convección Aire frío Tierra seca caliente Conducción Calentamiento solar Advección Quasi advección (b) Proceso sinóptico causando condiciones anormales Mar Capas súper-refractivas superficiales Mar caliente Aire seco caliente Tierra Aire frío Proceso frontal Aire frío ambiental Radiación Cielo frío Aire seco caliente Tierra úmeda caliente Tierra UI - Sistemas de MW 39 Evaporación Mar Tierra caliente UI - Sistemas de MW 40 Tipos de entubamiento - perfiles M Ducto M Superficie del Ducto Ducto M Ducto Elevado Ducto UI - Sistemas de MW 41 M Superficie del ducto con capa de entubamiento elevada Trazado del az en condición de entubamiento HUECO 100 Km UI - Sistemas de MW 42 7

8 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Propagación en el espacio libre Pérdidas de RF espacio libre Las ondas de radio son afectadas por la presencia de la Tierra y la atmósfera que la rodea. Para nuestro caso es la troposfera. Las pérdidas entre dos antenas que no son afectadas por la Tierra se denominan pérdidas de espacio libre. Pt r X Densidad de potencia a X = Pt /4πr 2 Watts/m 2 UI - Sistemas de MW 43 UI - Sistemas de MW 44 La apertura de una antena isotrópica esta dada por: λ 2 / 4π La potencia disipada en una carga conectada al terminal de la antena en el punto X: Pr = (Pt / 4πr 2 ) x (λ 2 / 4π) = λ 2 Pt / (4πr) 2 Pr/Pt = λ 2 /(4πr) 2 En el área de comunicaciones de Microondas, La pérdida de espacio libre (FSL) es normalmente expresada en db, para una frecuencia (f ) en GHz, y distancia (d ) en km: FSL = log f + 20 log d UI - Sistemas de MW 45 Estimación de la potencia requerida Se calcula el porcentaje de tiempo que la señal recibida podría estar debajo del umbral del RX relativo al periodo de tiempo total Margen de atenuación o desvanecimiento (Margen de Fading) es la diferencia entre el nivel nominal de la señal y el nivel del umbral del RX UI - Sistemas de MW 46 Umbral de recepción (Tresold) Es la mínima señal requerida para que el demodulador del Rx trabaje a una especifica tasa de error Son definidos dos umbrales A un BER de 10-6 A un BER de 10-3 Para enlaces analógicos se refieren al nivel de potencia de Rx en dbm (p.e -72dBm) UI - Sistemas de MW 47 Desvanecimiento en los enlaces Las variaciones de la señal alrededor del valor nominal de Rx son comúnmente referidas como desvanecimientos Las variaciones pequeñas puntuales en el gradiente de refractividad a través del cual la señal pasa durante su trayecto se denominan centelleo y no tiene efecto en el conjunto y pueden ignorarse UI - Sistemas de MW 48 8

9 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Variaciones estacionales o diurnas en el gradiente de refracción promedio afecta la señal causan desvanecimiento refractivo. Esto incluye: Desvanecimiento por refracción, expansión de az (desenfoque), desvanecimiento por multi-trayecto, el cual resulta en desvanecimiento tipo Raleig en sistemas de banda angosta y desvanecimiento selectivo Raleig aditivo en sistemas de banda anca; entubamiento o desvanecimiento total (blackout) UI - Sistemas de MW 49 Otra causa es la lluvia en sistemas de alta frecuencia (arriba de los 10 GHz) Desvanecimiento Plano: Es independiente de la frecuencia y por consiguiente resulta en una igual atenuación a través del anco de banda del Rx, Ejemplos: Desvanecimiento por lluvia y difracción, este término es usado para describir la atenuación por desvanecimiento por multi-trayecto en sistemas de banda angosta, los cuales describen una curva de distribución de probabilidad tipo Raleig UI - Sistemas de MW 50 Absorción atmosférica El vapor de agua y el oxigeno absorben la energía EM. La resonancia del Oxigeno ocurre aprox. a 0.5 cm (60 GHz) y la del vapor de agua a 1.3 cm (23 GHz) La absorción de vapor de agua y la atenuación por lluvia son considerados a partir de los 10 GHz La lluvia causa que la señal se disperse UI - Sistemas de MW 51 Desvanecimiento por difracción Cuando el gradiente de refractividad positivo esta presente, el az de radio es refractado acia arriba y de aquí la porción del frente de onda que es recibido en un punto distante a viajado muy cerca de la tierra que lo usual, debe asegurarse que la pérdida por difracción no cause una interrupción total (outage), colocando la antena de Rx a una altura conveniente. UI - Sistemas de MW 52 Zona de Fresnel Configuración sistema típico El perfil del trayecto debe ser trazado tal que muestre la altura de las antenas y las alturas del terreno teniendo en cuenta las variaciones de k. Para un área particular del perfil que tiene la menor medida de claridad del rayo directo dibujado entre las dos antenas es llamado el obstáculo dominante Tx 1ª Zone de Fresnel Rx UI - Sistemas de MW 53 UI - Sistemas de MW 54 9

10 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Pat Profile, 18 GHz, 0.6F1, k = 4/3 Pat Profile, 18 GHz, 0.6F1, k = 2/ Elevation in m Elevation in m Distance in km UI - Sistemas de MW Distance in km UI - Sistemas de MW 56 Pat Profile, 18 GHz, 0.6F1, k = 4/ Qué pasa sí no se tiene cuidado en tener claridad en la 1ra Zona de Fresnel, bajo distintos valores de k? Elevation in m Si sólo trabajamos con el papel de k=4/3 sin considerar k=2/ UI - Sistemas de MW Distance in km UI - Sistemas de MW 58 Elevation in m Pat Profile, 18 GHz, 0.6F1, k = 2/ El resultado es la interrupción cuando las condiciones climáticas cambian al valor de k=2/3 En algunos casos el obstáculo dominante puede ser diferente para diferentes valores de k. Línea de vista rasante (LOS ear Line Of Sigt): Cuando el trayecto de línea de vista (LOS - Line Of Sigt) entre las dos antenas pasa a las justas el obstáculo dominante, la línea de vista rasante podría no resultar en condiciones de propagación de espacio libre Distance in km UI - Sistemas de MW 59 UI - Sistemas de MW 60 10

11 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Este concepto está basado en la introducción de una pantalla delgada infinita en el trayecto directo de un frente de onda electromagnético y analizando la curvatura alrededor de la pantalla, el cual es llamado difracción. De acuerdo con el principio de Huygen, un frente de onda puede ser considerado como un numero infinito de pequeñas ondulaciones secundarias cada una radiando energía en la misma forma que la fuente primaria, así produciendo un frente de onda secundario. UI - Sistemas de MW 61 La intensidad de campo recibida que podría ser medido en la antena receptora es la suma de un infinito número de diminutas onditas producidas por la antena transmisora. Elementos fuera del eje principal del az de microondas, formando la superficie directa entre las dos aperturas de las antenas, así contribuyen al total del campo recibido. Sí ellos son bloqueados, la intensidad de campo recibida en la antena es afectada. UI - Sistemas de MW 62 El retardo de fase de los componentes fuera del eje es también crítico. Sí el componente fuera del eje es retardada λ/2, luego cuando ellos son sumados en el lado del receptor ellos se cancelarán; sí la diferencia es de un λ, se sumarán. Bajo condiciones de espacio libre los complejos arreglos de fase resultan en una condición normal de decremento de la intensidad de campo con el cuadrado de la distancia desde la antena. UI - Sistemas de MW 63 Sin embargo, sí la pantalla es introducida tal que bloquee una porción del frente de onda, el modelo luce completamente diferente y áreas con mínimos y máximos que pueden ser observados a medida que la pantalla bloquee más y más el frente de onda. Esto es mostrado visualmente en óptica donde una pantalla con un agujero en él bloquea a una fuente de luz, resultando en un patrón de difracción de círculos concéntricos de luz y oscuridad. UI - Sistemas de MW 64 ø Forma de la Onda expandida Principio de Huygen UI - Sistemas de MW 65 Los puntos limítrofes están donde la diferencia del trayecto entre el rayo directo y un rayo desde un ondita secundaria son múltiples de media longitud de onda. De acuerdo con la teoría de las Zonas de Fresnel, estos puntos están definidos por una serie de elipses donde las dos antenas son los focos. Esto es ilustrado en la figura siguiente. λd1d2 F1 = d + d 1 2 UI - Sistemas de MW 66 11

12 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Zonas de Fresnel d + λ/2 d + λ/2 A B 3ra* 2da* 1ra* * Zonas de Fresnel Zonas de Fresnel UI - Sistemas de MW 67 UI - Sistemas de MW 68 Sitio A La primera zona de Fresnel Radio de la n t Zona de Fresnel dada por: F n = nλd d d + d db espacio libre -20 R = 0 R = º de Zona de Fresnel Zona de Obstrucción Zona de Interferencia d1 El diámetro de la Zona de Fresnel depende de Sitio B la longitud de onda, la distancia entre los sitios o lugares de Tx / Rx d2 Para una mínima pérdida de difracción, la claridad mínima requerida es 0.6F 1 + Factor UI - Sistemas de MW R = R = Coeficiente de Reflexión Claridad 1ª Zona de Fresnel Atenuación vs Claridad del trayecto UI - Sistemas de MW 70 Valores mínimos de k Cuando están presentes abruptos gradientes de refracción positivos, condición donde son consideradas las pérdidas de difracción, corresponde a un valor mínimo de k. Este valor mínimo de k varía de región en región y también de estación en estación. Obviamente el mayor valor de k mínimo, más baja es la altura de la torre requerida. UI - Sistemas de MW 71 k mínimo versus longitud del trayecto k MI Longitud del trayecto (Km) UI - Sistemas de MW 72 12

13 UI FIEE Sistemas de Comunicaciones por Microondas Dispersión del az Efecto de la capa de ducting sobre el az de microonda Cuando ocurre una condición atmosférica súper-refractiva, una condición cáustica puede ser creado a lo largo del cual ocurre el enfocamiento del la energía del az, con los llamados agujeros de radio creados alrededor de él. Dependiendo de la altura de esta capa y las alturas de las antenas de TX y RX, un reforzamiento o reducción señal puede ocurrir. Fuente Divergencia Dispersión del Haz Caústica Hueco del Haz Convergencia Enfocamiento Divergencia UI - Sistemas de MW 73 UI - Sistemas de MW 74 Propagación por multitrayecto Ducto Un ducto atmosférico tiene un gradiente negativo muy abrupto y tiende a refractar fuertemente la señal de radio acia abajo. Dependiendo de donde está situado el ducto relativo a la señal de radio más de un camino de transmisión es posible. Esta condición es llamada multitrayecto atmosférico Haz Principal Haz Reflejado Ducto Elevado Haz Refractado UI - Sistemas de MW 75 UI - Sistemas de MW 76 Entubamiento (Ducting) Cuando el gradiente de refracción es tan fuertemente negativo que el az es doblado acia abajo de tal manera que no es recibido en la antena receptora. Ocurre en áreas donde la variación promedio del gradiente de refractividad es muy alto. En áreas donde los gradientes negativos exceden el 50% de ocurrencia son áreas de alto riesgo UI - Sistemas de MW 77 Mucas gracias por su atención UI FIEE Lima Perú UI - Sistemas de MW 78 13